RFID干貨專欄概述

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5.3.1 閱讀器天線

閱讀器天線種類很多，且在2.2節(jié)中也有不少講解，本節(jié)從應(yīng)用入手，分析多種有特色的閱讀器天線。

01、天線的近場與遠場分

通常，天線周圍場，劃分為三個區(qū)域：無功近場區(qū)，輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)，如圖5-49所示為這三個區(qū)域的示意圖，其中：

無功近場區(qū)：又稱為電抗近場區(qū)，是天線輻射場中緊鄰天線口徑的一個近場區(qū)域。在該區(qū)域中，電抗性儲能場占支配地位，該區(qū)域的界限通常取為距天線口徑表面處，其中D為天線口徑尺寸，λ為波長。從物理概念上講，無功近場區(qū)是一個儲能場，其中的電場與磁場的轉(zhuǎn)換類似于變壓器中的電場、磁場之間的轉(zhuǎn)換，是一種感應(yīng)場。

輻射近場區(qū)：超過電抗近場區(qū)就到了輻射場區(qū)，輻射場區(qū)的電磁場已經(jīng)脫離了天線的束縛，并作為電磁波進入空間。按照與天線距離的遠近，又把輻射場區(qū)分為輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。在輻射近場區(qū)中，輻射場占優(yōu)勢，并且輻射場的角度分布與距離天線口徑的距離有關(guān)。該區(qū)域的界限通常取為距天線口徑表面R1與R2之間的部分，其中。對于通常的天線，此區(qū)域也稱為菲涅爾區(qū)。

輻射遠場區(qū)：通常所說的遠場區(qū)，又稱為夫朗荷費區(qū)。在該區(qū)域中，輻射場的角分布與距離無關(guān)。嚴格地講，只有離天線無窮遠處才能到達天線的遠場區(qū)。一般情況認為，輻射近場區(qū)與遠場區(qū)的分界距離為，R2的外圍區(qū)域為遠場區(qū)。

圖5-49天線場區(qū)分布示意圖

一個天線在近場表現(xiàn)為磁場特性，其磁場強度與距離的三次方成反比；天線在遠場區(qū)域為電場和磁場的相互轉(zhuǎn)換過程，給標簽供電和通信的主要為電場，其電場強度與距離的一次方成反比。因此可以看出天線的磁場衰減非?？?，而電場可以輻射到很遠的地方。當需要一個遠距離工作的系統(tǒng)時，此時要求閱讀器的天線和標簽的天線都有較好的遠場輻射特性；當需要一個只允許近距離工作的系統(tǒng)時，需要保證閱讀器天線和標簽天線至少有一個是遠場輻射特性較差的，當然如果兩個天線在遠場輻射特性都較差，則是一個完美的近場通信系統(tǒng)。由于近場磁場強度隨距離三次方衰減，因此很容易出現(xiàn)一個識別范圍的界限，這個界限對于不同標簽差異只有幾厘米，而類似的系統(tǒng)在遠場的識別范圍界限差異可能會超過1米。近場天線和遠場天線在近場磁場輻射特性是相似的，不同點在于近場天線在遠場的輻射特性較差。如圖5-50所示為一個微帶天線的磁場輻射圖，可以看到有靠近天線10cm之內(nèi)的區(qū)域磁場輻射較強，之后磁場強度迅速降低。

圖5-50微帶天線的磁場輻射圖

下面通過一個測試來驗證近場與遠場的區(qū)別，在一個系統(tǒng)中，閱讀器天線為一個口徑為25cm的遠場微帶天線，工作在920MHz頻率，標簽選擇四種，分別是A、B、C、D如圖5-51所示。其中A標簽是一個閉合小環(huán)，遠場特性較差，B、C、D三款標簽具有一定遠場特性。

（a）A標簽 （b）B標簽 （c）C標簽 （d）D標簽

圖5-51四種測試標簽

分別在空氣中和貼在裝滿水的塑料瓶表面測試其工作距離（工作頻率為915MHz），由于水的介電常數(shù)是εr=81，而空氣的εr=1，因此標簽貼在水瓶表面后其遠場特性會發(fā)生很大變化，可以理解為可以獲得的遠場能量幾乎為零。其測試結(jié)果如表5-2所示：可以看到A標簽在空氣中和在水瓶表面的工作距離均為30cm左右，而另外三款標簽在自由空間中的工作距離有1到4米，而貼在水瓶表面后，工作距離只有40cm左右。經(jīng)過計算該閱讀器天線的近場區(qū)大小為：。所有的4款標簽的工作距離（水瓶表面）與閱讀器的近場區(qū)域相似。

表5-2四種標簽在自由空間和水表面工作距離對比

從上述的測試中可以看到閱讀器天線的近場輻射區(qū)與遠場輻射區(qū)的分布。同時也可以發(fā)現(xiàn)，標簽的電感線圈主要影響近場特性，偶極子天線部分影響遠場特性。

02、常見的近場天線方案

超高頻RFID近場天線的目的就是讓系統(tǒng)中的標簽只能在近距離工作，猶如標簽是純近場標簽。這和HF的工作原理是一樣的，關(guān)鍵在于降低輻射近場區(qū)以及遠場區(qū)的磁場（磁場強度隨著距離增加下降速度減慢，由近場中的60 dB／每十倍程下降，到遠場的20dB／每十倍程下降）。

HF近場天線（實際上HF在RFID應(yīng)用中只有近場工作模式），這主要是由HF的頻率很低造成的，由于天線尺寸比波長短得多，其遠場輻射特性非常差。而超高頻的頻率較高，很難抑制遠場輻射特性，只能通過分段耦合、小尺寸設(shè)計、抑制表面波等技術(shù)手段實現(xiàn)近場特性。

（1）分段耦合近場天線

類似于LF/HF近場RFID系統(tǒng)，在超高頻RFID近場閱讀器系統(tǒng)中，近場天線也可以通過近場耦合的方式控制近場通信，其設(shè)計方式為一匝線圈。如圖5-52所示為這個近場天線的仿真圖，但通過仿真和測試發(fā)現(xiàn)，其近場輻射區(qū)域不均勻，在天線的中間位置有很大一片盲區(qū)。這是因為電流在天線周長上流動時相位會發(fā)生變化，而超高頻的波長較短，當電磁波走了一段距離后其相位與之前的相差甚遠，無法形成相同的磁場方向（HF沒有該問題的原因是HF波長較長，圍繞周長即使多圈其相位幾乎不變）。

（a）電流分布圖 （b）磁場分布圖

圖5-52傳統(tǒng)實線環(huán)天線的電流分布和磁場分布

對于上述相位變化問題，提出一種電感耦合的機場天線設(shè)計思路：要求沿著環(huán)的電流相位一致，且在一個單一的方向流動，所以能產(chǎn)生強大和均勻的磁場分布。

為滿足上述要求，提出了分段耦合天線，其在PCB上的印刷天線為圖5-33（a）所示。在笛卡爾系中，在x-y平面上方有一個FR4PCB板。該天線由很多分段線和匹配短截線組成。其中匹配短截線相對于y軸對稱，也印刷在FR4PCB的同一邊（厚度h=0.5mm，相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切tanδ=0.02）。分段耦合線段在與相連線段之間產(chǎn)生一個非常小的滯后相位，以至于電流流經(jīng)分段線時，保持一個方向。換句話說，在分段環(huán)上的電流分布看起來是同步的。因此，即使改環(huán)為電大環(huán)，分段環(huán)天線產(chǎn)生的磁場仍是均勻分布的，如圖5-33（b）所示，為天線原型。

（a）天線結(jié)構(gòu) （b）天線原型圖

圖5-53超高頻近場RFID分段環(huán)天線圖

如圖5-54所示為分段耦合近場天線的仿真輻射圖，可以看出在其天線內(nèi)部的輻射非常均勻。

圖5-54分段耦合近場天線的仿真輻射圖

此類型天線非常適合近距離小型近場標簽的批量識別，可以通過功率控制，穩(wěn)定的調(diào)整近場標簽的工作距離。雖然分段耦合近場天線有非常穩(wěn)定的近場特性，但很難抑制其遠場特性，無法實現(xiàn)對于一些遠場標簽的近距離控制。在識別近場標簽時，若附近有遠場標簽，很容易引起誤讀。

（2）小尺寸近場天線

實現(xiàn)近場天線的另外一個手段是天線的尺寸足夠小，當其尺寸遠小于波長時，其遠場輻射特性會非常弱，而近場特性可以保留，且近場輻射區(qū)也很小。分段耦合近場天線存在遠場輻射特性的缺點，可以通過小尺寸設(shè)計近場天線的設(shè)計方案消除掉。如圖5-55所示為一個小尺寸近場天線。這個天線的大小為3mm×4mm，其尺寸只有波長的1%（922MHz頻率，波長為325mm）。該小天線內(nèi)部為一個閉合線圈，具有近場特性，由于超小的尺寸，遠場特性很差。

（a）天線實物圖 （b）設(shè)計尺寸圖

圖5-55小尺寸近場天線

小尺寸天線的空間有限，很難在天線上實現(xiàn)阻抗匹配，需要外接無源器件匹配到50歐姆，否則閱讀器會因為天線適配引起載波泄漏過大無法工作。如圖5-56所示，為小尺寸天線的阻抗匹配電路，該阻抗匹配電路需要額外焊接一個電容C1和一個電感L1器件，可以與饋線一起焊接在天線PCB的背面，從而節(jié)省空間。

圖5-56小尺寸天線的阻抗匹配電路

其中C1和L1的數(shù)值是由天線的形狀以及工作頻率決定的，可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試并選擇合適的參數(shù)。

由于小尺寸近場天線的尺寸很小，其輻射覆蓋范圍也很小，無法同時識別多個標簽。同樣由于自身尺寸，近場輻射區(qū)也小，尤其是針對小型近場標簽，只有幾毫米的工作距離，如圖5-57所示?？梢酝ㄟ^調(diào)整發(fā)射功率略微改變覆蓋范圍，但變化不大。

圖5-57小尺寸天線的覆蓋范圍

小尺寸近場天線適合一對一的應(yīng)用場景，不容易受到外界標簽和環(huán)境的干擾。尤其是具有超小型封裝標簽（4.2.2節(jié)）的一些應(yīng)用中，只有采用小尺寸近場天線配套才能完成識別。

（3）抑制表面波近場天線

市場上有一類近場天線需求非常特殊，應(yīng)用于標簽生產(chǎn)及測試設(shè)備，要求生產(chǎn)測試設(shè)備的Inlay快速行進的過程中，只能識別天線正上方的一個標簽（測試、寫標），而不識別到旁邊的兩個標簽，如圖5-58所示，一卷Inlay上兩個標簽的間距非常小，普通的近場天線無法如此精確的控制識別范圍，而小尺寸近場天線因輻射范圍太小，當Inlay在高速傳送過程中由于震動，很容易離開原有的輻射覆蓋區(qū)域形成漏讀。再加上這些設(shè)備預(yù)留天線的空間很小，很難實現(xiàn)有效的屏蔽。這個天線既要高速穩(wěn)定，又要輻射場覆蓋范圍剛剛好只有正上方的一個小區(qū)域。因此提出EBG結(jié)構(gòu)的抑制表面波的近場天線技術(shù)。

圖5-58卷裝Inlay尺寸圖

EBG即電磁帶隙結(jié)構(gòu)。電磁帶隙材料也稱為光子帶隙材料，這種材料的特殊性在于：它能夠在特定頻率對反射波的相位進行特定的調(diào)制。由于其反射波的特殊性使得一般的偶極子天線以其為基板時仍可以正常使用。

如圖5-59所示的蘑菇型EBG由如下幾部分組成：兩列中間有孔的金屬貼片，雙層電介質(zhì)材料以及一個地板。其表面結(jié)構(gòu)類似于一個集總回路。上表面相當于一個負載電容，一直通到地板處的孔洞則相當于一個電感。當電磁波向著它垂直入射時，其表面阻抗為：

                                                                            （6.1）

其中是入射波頻率，L是電感，C是電容。故當頻率時表面阻抗為無窮大。如此大的表面阻抗能夠有效地抑制表面泄露波。

圖5-59蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)

如圖5-60所示為天線實物和輻射仿真圖，可以看出其電場特性衰減非?？?，且只有正上方的輻射主瓣，表面波的泄漏被有效的抑制了。

（a）實物圖（b）輻射仿真圖

圖5-60抑制表面波的近場天線

EBG結(jié)構(gòu)的抑制表面波的近場天線技術(shù)具有非常特殊的輻射特性，可以滿足Inlay卷測試機的嚴苛要求。

03、常見的遠場天線

在2.2節(jié)中已經(jīng)介紹了關(guān)于遠場天線的主要內(nèi)容，本節(jié)針對應(yīng)用介紹兩類比較特殊的遠場天線，分別是手持機天線、高增益天線和泄漏同軸電纜天線。

（1）手持機天線

超高頻RFID手持機經(jīng)過十多年的發(fā)展，雖然操作系統(tǒng)面板等有了很大的變化，但其核心的閱讀器模塊和天線的變化并不大，總的來說有兩大類，分別是帶有輻射背板的天線和不帶輻射背板的天線。

不帶輻射背板的天線主要采用偶極子天線或偶極子的變形。早期的得邏輯（Psion Teklogix）的手持機就是采用該方案，如圖5-61所示手持機頂部的小區(qū)域為天線區(qū)域，其內(nèi)部是一個偶極子天線的變形。該天線為一個線極化天線，具有2dBi的方向增益。該天線的優(yōu)點是設(shè)計和生產(chǎn)都很簡單，且成本很低。這種天線的缺點是由于線極化使用時很不方便，需要不停的轉(zhuǎn)動手持機，尋找最好的角度，對于測試精度誤差也很大，同時由于沒有輻射背板，很容易被周圍的物品所影響，當手靠近天線時，天線的匹配會劇烈變化從而影響輸入反射系數(shù)大幅降低靈敏度。

圖5-61得邏輯手持機天線方案

為了解決線極化和抗干擾的問題，人們提出了采用微帶天線的解決方案，由于手持機的尺寸受限，早期的中低端手持機設(shè)計中采用陶瓷天線。對于圓極化和抗干擾能力有所提升，但陶瓷天線自身問題非常多，包括圓極化特性很差（軸比有時候>3dB左右），同一個標簽面對天線旋轉(zhuǎn)角度工作距離差異很大。陶瓷天線的量產(chǎn)一致性很差，阻抗和波束方向不一致。陶瓷天線的帶寬也不好，還很重。上述的這些問題導(dǎo)致越來越多的公司開發(fā)小型的高性能手持機天線。常見的5種手持機天線如圖5-62所示，其中：

A天線是一個四臂單極子天線，通過3個功分器將輸入信號分為4路，能量平均分配到4個單極子天線，且4路信號相位都相差90°（通過微帶線實現(xiàn)相位差）。其底部的背板既可以增強方向增益，又可以減小環(huán)境干擾。其特點是阻抗性非常好，相位特性也比較不錯。

B天線與A天線很相似，只是沒有采用功分器，通過微帶線的方式實現(xiàn)功率分配，對比A天線，其4個單極子天線的功率有差異，圓極化特性受到影響。

C天線設(shè)計思路與A天線相同，不過在一塊PCB板上實現(xiàn)，其帶寬會稍差。

D天線設(shè)計思路與A天線相同，其所有部件都是采用PCB工藝，組裝焊接而成，組裝對一致性會有所影響。

E天線采用交叉偶極子天線設(shè)計，但并非圓極化天線，需要依靠模塊的金屬底板作為反射背板。

圖5-62常見的手持機天線

這5款天線的對比如表5-3所示，手持機天線廠商可以根據(jù)客戶需求設(shè)計適合自己的手持機天線。

表5-3手持機天線參數(shù)對比表

評分標準為1到5分，其中1為最差，5為最好。

（2）高增益天線

在超高頻RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，有的特殊應(yīng)用需要更遠的工作距離（不考慮輸出功率規(guī)范），最簡單有效的方法是選擇更高增益的天線。這是因為增加閱讀器輸出功率會引起載波泄漏影響靈敏度，單增加標簽靈敏度會引起反向散射能量過小導(dǎo)致閱讀器靈敏度受限。在超高頻RFID系統(tǒng)中，一般認為方向增益超過9dBi的天線都為高增益天線，其中常見的天線增益為12dBi和15dBi。一般情況下，正方形的高增益天線為圓極化天線，長方形的高增益天線為線極化天線。

高增益天線的實現(xiàn)方式與相位列陣天線相似，是通過多個陣子輻射的聚集從而實現(xiàn)其高增益的，對比相位列陣天線，只是系統(tǒng)無法通過相位變化引起主瓣輻射角度變化，該輻射角度是固定的。如采用兩個6dBi的小天線作為陣子，最大可以實現(xiàn)接近9dBi的一個高增益天線；同理，若使用4個6dBi的小天線作為陣子，理論上最大可以實現(xiàn)12dBi的一個高增益天線。因此也很容易估算一個高增益天線的尺寸。

高增益天線常應(yīng)用于智能交通相關(guān)的領(lǐng)域，多數(shù)采用長方形的線極化天線。

（3）泄漏同軸電纜天線

泄漏同軸電纜（LeakyCoaxial Cable）又稱漏泄同軸電纜，通常又簡稱為泄漏電纜或漏泄電纜，其結(jié)構(gòu)與普通的同軸電纜基本一致，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)和開有周期性槽孔的外導(dǎo)體三部分組成。電磁波在泄漏同軸電纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r通過槽孔向外界輻射電磁波；外界的電磁場也可通過槽孔感應(yīng)到泄漏同軸電纜內(nèi)部并傳送到接收端。常用泄漏同軸電纜的頻段覆蓋為450MHz到3GHz，適應(yīng)現(xiàn)有的各種無線通信體制，應(yīng)用場合包括無線傳播受限的地鐵、鐵路隧道和公路隧道等。在國外，泄漏同軸電纜也用于室內(nèi)覆蓋。如圖5-63所示為不同尺寸的幾種泄漏電纜。

圖5-63不同尺寸的泄漏電纜

泄漏同軸電纜電性能的主要指標有縱向衰減常數(shù)和耦合損耗。

縱向衰減：衰減常數(shù)是考核電磁波在電纜內(nèi)部所傳輸能量損失的最重要特性。普通同軸電纜內(nèi)部的信號在一定頻率下，隨傳輸距離而變?nèi)?。衰減性能主要取決于絕緣層的類型及電纜的大小。而對于漏纜來說，周邊環(huán)境也會影響衰減性能，因為電纜內(nèi)部少部分能量在外導(dǎo)體附近的外界環(huán)境中傳播。因此衰減性能也受制于外導(dǎo)體槽孔的排列方式。

耦合損耗：耦合損耗描述的是電纜外部因耦合產(chǎn)生且被外界天線接收能量大小的指標，它定義為：特定距離下，被外界天線接收的能量與電纜中傳輸?shù)哪芰恐?。由于影響是相互的，也可用類似的方法分析信號從外界天線向電纜的傳輸。耦合損耗受電纜槽孔形式及外界環(huán)境對信號的干擾或反射影響。寬頻范圍內(nèi)，輻射越強意味著耦合損耗越低。根據(jù)信號與外界的耦合機制不同，主要分為以下三種泄漏同軸電纜：輻射型（RMC）、耦合型（CMC）和泄漏型（LSC）。

與傳統(tǒng)的天線系統(tǒng)相比，泄漏同軸電纜天線系統(tǒng)在超高頻RFID應(yīng)用中具有以下優(yōu)點：

信號覆蓋均勻，尤其適合不規(guī)則的小空間覆蓋；

泄漏同軸電纜本質(zhì)上是寬頻帶系統(tǒng)，某些型號的泄漏同軸電纜可同時用于CDMA800、GSM900、GSM1800、WCDMA、WLAN等系統(tǒng)；

泄漏同軸電纜的尺寸較小，可以裝置在狹小的空間中。

超高頻RFID應(yīng)用中經(jīng)常會遇到又長又小的空間需要盤點其中的電子標簽，如工業(yè)柜體內(nèi)，深井中，管道中等。在這些環(huán)境中普通的閱讀器天線無法傳播足夠的距離，或由于天線的尺寸過大根本無法放置，再或者管道很長，無法同時放入多個天線和饋線。此時采用泄漏天線可以解決上述問題。大家可以理解泄漏天線就是一根屏蔽性能很差的射頻線纜，在這根射頻線纜附近的標簽都可以被識別到，而且其長度可以根據(jù)需求定制，其長度甚至可以長達百米。